(57)【要約】【課題】  含水素化合物の気体状物質を簡易かつ低廉な方法で分解して燃料電池用の水素燃料を得る。【解決手段】  本発明の水素製造装置１０は、反応容器１とマイクロ波発生装置３を備え、反応容器１は含水素化合物の気体状物質７を注入する導入口１Ａと分解物質である水素９を排気する排気口１Ｂを有し、その内部には多数の黒鉛繊維片２を装填されている構成であり、この反応容器１の内部に含水素系化合物の気体状物質７を流し込み、マイクロ波８を照射することで反応容器１内の黒鉛繊維片２を即座に昇温させ、内部の気体状物質を加熱分解して水素９を遊離させ、燃料として取り出すことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に装填された黒鉛繊維片にマイクロ波を照射しながら、前記黒鉛繊維片に含水素化合物を含むガスを接触させて、前記含水素化合物を改質して水素を得る水素製造方法。
【請求項２】
前記反応容器を予備加熱することを特徴とする請求項１に記載の水素製造方法。
【請求項３】
前記黒鉛繊維片は、フェルト状黒鉛繊維片であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造方法。
【請求項４】
前記黒鉛繊維片は、前記反応容器内に５ｍｇ／ｍＬ以上の割合で装填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項５】
前記含水素化合物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アンモニアおよびは硫化水素の群から選ばれる少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項６】
前記含水素化合物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アンモニアおよびは硫化水素の群から選ばれる少なくとも１種のものの気体状物質と、水蒸気又は水滴との混合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項７】
容器本体に、含水素化合物の気体状物質を当該容器本体の内部に導入するための導入口と当該容器本体の内部で製造された水素を排気するための排気口とを設け、前記容器本体の内部に黒鉛繊維片を装填した水素製造用反応容器。
【請求項８】
前記容器本体の外周を金属筐体で囲ったことを特徴とする請求項７に記載の水素製造用反応容器。
【請求項９】
含水素化合物の気体状物質の導入口と内部で製造された水素の排気口とを有し、内部に黒鉛繊維片が装填された水素製造用反応容器と、
前記黒鉛繊維片にマイクロ波を照射して加熱するためのマイクロ波発生装置とを備えた水素製造装置。
【請求項１０】
前記水素製造用反応容器の外周を金属筐体で囲ったことを特徴とする請求項９に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
含水素化合物の気体状物質の導入口と内部で製造された水素の排気口とを有し、内部に黒鉛繊維片が装填された水素製造用反応容器と、
前記黒鉛繊維片にマイクロ波を照射して加熱するためのマイクロ波発生装置と、
前記水素製造用反応容器の前記導入口にガスチューブにて接続され、含水素化合物の気体状物質を前記水素製造用反応容器に供給する原料供給装置と、
前記水素製造用反応容器の前記排気口にガスチューブにて燃料極側が接続された燃料電池ユニットとを備えた燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記水素製造用反応容器の前記導入口に接続された原料供給装置は、含水素化合物の気体状物質と水蒸気又は水滴との混合物を供給することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水素化合物の気体状物質を分解して水素を製造するための水素製造方法、水素製造用反応容器、水素製造装置、また製造された水素を利用する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の高まり、地球温暖化防止策の一環として、世界的規模で燃料電池発電装置の開発が進められている。燃料電池発電装置は二酸化炭素を排出しない環境に優れた製品であるが、技術的に解決すべき課題も多く、いまだ一般に普及するまでには至っていない。燃料電池の燃料としての水素の製造技術もその一つで、化石燃料を改質して水素を製造する技術として水蒸気改質、部分酸化改質、併用改質等が利用されているが、方法が煩雑でコストもかかるなどの問題点がある。
【０００３】
また、上記に代わる改質方法として、例えば特開２００４−５２６０９号公報（特許文献１）、特開２００４−２０９０号公報（特許文献２）に記載されているように、マイクロ波、マイクロプラズマを利用して水素を製造する方法が開発されている。しかしながら、これらの技術では、改質後に生成される物質として、水素のほかにＣＯやＣＯ２も含んでいる。そのため、それらの物質を低減させる必要があって変性器や分離器を必要とし、それだけ工程が複雑化し、また大容量電圧や高温環境が必要でコストがかさむ問題点がある。
【０００４】
さらに、水素製造技術の先願として特願２００４−２７２１９２号があり、０．００１ＭＰａ〜１ＭＰａの圧力下で、反応容器内に充填された複数の炭素繊維片にマイクロ波を照射しながら、炭素繊維片に含水素化合物を含む気体状物質を接触させて、含水素化合物を改質して水素を得る技術が提案されている。これによると、水素製造工程の簡素化とコストの低廉化が図れる。しかしながら、さらに高効率で水素製造できる技術の開発が望ましい。
【特許文献１】特開２００４−５２６０９号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、比較的簡易な構成で高効率に水素が製造でき、コストも低廉に抑えることができる燃料電池燃料用の水素製造技術とそれを利用する燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の特徴は、反応容器内に装填された黒鉛繊維片にマイクロ波を照射しながら、前記黒鉛繊維片に含水素化合物を含むガスを接触させて、前記含水素化合物を改質して水素を得る水素製造方法にある。
【０００７】
上記水素製造方法においては、前記反応容器を予備加熱することができる。また、前記黒鉛繊維片は、フェルト状黒鉛繊維片を採用することができる。また、前記黒鉛繊維片は、前記反応容器内に５ｍｇ／ｍＬ以上の割合で装填しておくことができる。さらに、前記含水素化合物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アンモニアおよびは硫化水素の群から選ばれる少なくとも１種のものの気体状物質、あるいは、この気体状物質と水蒸気又は水滴との混合物を採用することができる。
【０００８】
本発明の第２の特徴は、容器本体に、含水素化合物の気体状物質を当該容器本体の内部に導入するための導入口と当該容器本体の内部で製造された水素を排気するための排気口とを設け、前記容器本体の内部に黒鉛繊維片を装填した水素製造用反応容器にある。
【０００９】
上記水素製造用反応容器においては、前記容器本体の外周を金属筐体で囲ったものとすることができる。
【００１０】
本発明の第３の特徴は、含水素化合物の気体状物質の導入口と内部で製造された水素の排気口とを有し、内部に黒鉛繊維片が装填された水素製造用反応容器と、前記黒鉛繊維片にマイクロ波を照射して加熱するためのマイクロ波発生装置とを備えた水素製造装置にある。
【００１１】
上記水素製造装置においては、前記水素製造用反応容器の外周を金属筐体で囲ったものとすることができる。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、含水素化合物の気体状物質の導入口と内部で製造された水素の排気口とを有し、内部に黒鉛繊維片が装填された水素製造用反応容器と、前記黒鉛繊維片にマイクロ波を照射して加熱するためのマイクロ波発生装置と、前記水素製造用反応容器の前記導入口に配管にて接続され、含水素化合物の気体状物質を前記水素製造用反応容器に供給する原料供給装置と、前記水素製造用反応容器の前記排気口に配管にて燃料極側が接続された燃料電池ユニットとを備えた燃料電池発電装置にある。
【００１３】
上記燃料電池発電装置において、前記原料供給装置は、含水素化合物の気体状物質と水蒸気又は水滴との混合物を供給するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素製造方法、水素製造用反応容器及び水素製造装置によれば、容器本体の内部に黒鉛繊維片が装填された水素製造用反応容器に原料となる含水素化合物の気体状物質を供給し、マイクロ波発生装置にて水素製造用反応容器にマイクロ波を照射して黒鉛繊維片を加熱することにより黒鉛繊維片に接触している含水素化合物を効率良く分解して水素を遊離させ、反応容器本体の排気口から取り出すことができる。この場合、黒鉛繊維片を予備加熱することで水素の分解効率を高めることができる。また、黒鉛繊維片にフェルト状のものを採用することで含水素化合物との接触面を広くし分解効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置では、上記水素製造装置にて製造した水素を燃料電池ユニットの燃料極に導入して発電を行うことができ、水素原料の効率的消費が可能な燃料電池発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１、図２は本発明の１つの実施の形態の水素製造装置１０の構成を示している。メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素系原料の気体状物質を改質して水素を製造する水素製造装置１０は、導入口１Ａと排気口１Ｂとを有する反応容器１を備えている。この反応容器１内には多数のフェルト状黒鉛繊維片２が装填してある。本実施の形態の水素製造装置１０は、この反応容器１にマイクロ波を照射するマイクロ波発生装置であるマグネトロン３を備えている。本実施の形態の場合、反応容器１とマグネトロン３とは一体化した装置として構成してある。反応容器１の周囲は金属筐体４にて囲ってある。マグネトロン３には金属筐体４に内蔵した電源部５からマイクロ波励起電流を供給する回路構成である。尚、このマグネトロン３及び電源部５の構成は従来知られている電子レンジの構造とほぼ共通する。なお、図１に示したように、引火性、発火性の高い含水素化合物の気体状物質の漏れを検出するために、本装置には原料漏れセンサ６を設置するのが望ましい。
【００１７】
上記構成の水素製造装置１０では、水素原料である気体状物質として、炭化水素系化合物ではメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ３）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ７Ｈ８）、キシレン（Ｃ６Ｈ４）等で、それらの１種以上を含んだ含水素化合物を採用することができる。以下では、原料としてブタンを使用した場合について説明する。
【００１８】
本装置の反応容器１の導入口１Ａから反応容器１内に原料であるブタン７を流入させ、反応容器１の内部の空気をすべてブタン７にて置き換える。そしてマグネトロン３を起動してマイクロ波８を反応容器１に照射する。このマイクロ波８の照射によって反応容器１内に装填されている黒鉛繊維片２が昇温し、それによって繊維端の近傍でブタン７が加熱反応を起こし、炭素と水素に分離する。マグネトロン３には一般的な２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚのマイクロ波を発生するものを採用することができ、また出力は７００Ｗ相当以下のものが望ましい。
【００１９】
本装置がバッチ式である場合、原料であるブタン７は、例えばカッセト式ガスボンベから供給することにして、ボンベを開放して、常圧により反応容器１内へブタン７を注入し、内部の空気をすべてブタンにて置き換えてからマイクロ波８を照射する。このとき、反応容器１を金属筐体４にて囲うことにより、反応容器１外に出たマイクロ波を金属筐体４で反射して反応容器１内に入射させることができ、マイクロ波８の利用効率を上げることができる。マイクロ波８を必要時間だけ照射した後、分解生成物として水素９を排気口１Ｂから取り出す。この水素９は後述する燃料電池ユニットの燃料として利用する。
【００２０】
本装置が連続フロー式である場合、カセット式のガスボンベに代えて大容量のガスボンベを反応容器１の導入口１Ａにガスチューブにて接続し、大容量ガスボンベから原料ブタンを反応容器１内に供給し、充填が完了すれば供給を停止し、マグネトロン３にて必要時間だけ加熱して分解させ、水素を排気口１Ｂから取り出す。そしてその後、再び反応容器１内に原料ブタンを充填し、上記と同様にマイクロ波加熱し、分解して得た水素を取り出す作業を繰り返す。
【００２１】
図３は上記実施の形態の水素製造装置１０を利用した燃料電池発電装置のシステム構成を示している。燃料電池発電装置は含水素化合物の気体状物質である原料ガスを充填したガスボンベ１１、これにガスチューブ１２にて原料導入口１Ａが接続された上記実施の形態の水素製造装置１０、そしてこの水素製造装置１０の排気口１Ｂにガスチューブ１３にて燃料極側が接続された燃料電池ユニット１４から構成されている。この燃料電池ユニット１４から取り出した電気は、これに負荷１５を接続することで消費する。ガスボンベ１１には上述した実施の形態のものを採用する。燃料電池ユニット１４には利用できる種々の方式が採用できるが、例えば固体高分子型のものを採用する。
【００２２】
反応容器１は少なくともマイクロ波が照射される部分は耐熱ガラス製であることが望ましい。これに流し込む気体状物質の圧力は、その種類や反応容器１内に装填される黒鉛繊維片２の体積に依存するが、例えば０．０８ＭＰａ〜０．２Ｍｐａが望ましい。反応容器１の形状・大きさは、マグネトロン３の出力、分解・生成しようとする気体状物質の量、さらにはシステムの規模に大きく依存するが、例えば、マグネトロン３の出力が７００Ｗ程度であり、マイクロ波が２．４〜２．５ＧＨｚである場合、反応容器１のマイクロ波の照射される部分の径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍとすることができる。反応容器１は、生成すべき水素の必要量に応じて容積を大きくしたり、複数を設置したりすることもできる。
【００２３】
反応容器１内に入れる黒鉛繊維片２には、例えば３ｍｍ角〜１３ｍｍ角のフェルト状黒鉛片を使用し、２０ｍｇ程度を反応容器１内に装填した場合が効率が良い。
【００２４】
反応容器１を収める高周波を照射する金属筐体４は装置規模により適宜サイズのものを採用する。例えば、外枠が幅３９０ｍｍ、高さ４５５ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、内径が幅２００ｍｍ、高さ２８０ｍｍ、奥行き２８０ｍｍで少なくとも内側の周囲を金属で覆い、マイクロ波が漏れ出さないものを使用することができる。
【００２５】
製造される水素９の温度は、マイクロ波８を１０秒照射した場合で排気口１Ｂにおいて７０度、２０秒照射した場合で同じく１５０度〜１６０度になる。この水素を燃料として燃料電池ユニット１４に供給して長時間連続的に燃料電池発電反応を起こさせるためには、４０度程度まで降温させる必要がある。そのために反応容器１の排気口１Ｂから燃料電池ユニット１４に至る経路にアフタークーラーのような冷却手段を設けることで、燃料電池ユニット１４に供給される水素９の温度を下げることができる。また、その熱エネルギ（排熱）を利用することにより燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００２６】
本実施の形態の水素製造装置及びそれを使用する水素製造方法によれば、多数の黒鉛繊維片２を装填した反応容器１内にその導入口１Ａから含水素化合物の気体状物質である原料ガス７を供給し、反応容器１にマイクロ波８を照射することで内部の原料ガス７を分解し、水素９を高効率に取り出すことができる。この場合、原料ガス７の加熱分解反応と併せて、反応容器１にマイクロ波８を照射することによって、反応容器１内の複数の黒鉛繊維片２の近接間で放電現象を発生させ、この放電により炭化水素化合物の原料ガス７を分解させ、水素と炭素に分離するという現象が発生するため、短時間での高効率的な気体分解が成し得る。さらに、多数の黒鉛繊維片２を反応容器１内に装填することで、反応容器１内において各黒鉛繊維片端が近接し合う部分で放電するが、それが反応容器１内のいたる部分で発生することにより放電領域が均一化し、原料ガス７の分解反応をさらに促進させることができる。さらに、黒鉛繊維片２自身は加熱によっても燃焼や分解などの変化を伴わないので、追加したり撹拌したりする必要がない。なお、この水素製造装置及び水素製造方法において、予め反応容器１内の黒鉛繊維片２を昇温させておくことで、反応容器１内の原料ガス７の分解までの時間をさらに早め、効率をさらに向上することができる。
【００２７】
また本実施の形態の水素製造装置及びこれを使用する水素製造方法では、原料ガス７の加熱にマグネトロン３を利用することで、安価にかつ効率的に反応容器１内に均一的なマイクロ波を照射することができる。加えて、反応容器１を金属筐体４で囲うことによって、反応容器１内の黒鉛繊維片２又は原料ガス７に吸収されなかったマイクロ波８は金属筐体４内の金属により反射を繰り返して反応容器１内に再照射され、マイクロ波８をより均一に照射することができ、効率向上が図れる。
【００２８】
さらに、本実施の形態の水素製造装置及びこれを使用する水素製造方法において、供給される原料ガス７を含水素化合物と水蒸気又は水滴との混合ガスとすることにより水素製造効率を向上させることができる。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例として図３に示した構成の燃料電池発電装置を利用した。燃料電池ユニット１４は１３Ｖ、６０Ｗ出力の固定高分子型のものであった。水素製造装置１０内の反応容器１の形状・大きさは、径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの円筒容器で耐熱ガラスのものを使用した。反応容器１内に入れる黒鉛繊維片２は、３〜５ｍｍ角のフェルト状黒鉛片を用いた。前記黒鉛繊維片は、約２０ｍｇ程度の量とし、反応容器１内に詰め込みすぎない方が反応効率が良い。反応容器１を収める金属筐体４には、外枠が幅３９０ｍｍ、高さ４５５ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、内径が幅２００ｍｍ、高さ２８０ｍｍ、奥行き２８０ｍｍで内側の周囲を金属で覆い、高周波が漏れ出さないようにしたものを用いた。水素製造装置１０内のマグネトロン３は７００Ｗ出力であり、発生するマイクロ波８は２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚであった。
【００３０】
原料ガス７であるブタンを水素製造装置１０内の反応容器１にその導入口１Ａから流入させ、マグネトロン３を駆動させてマイクロ波８を反応容器１内に照射した。同容器１内に装填した黒鉛繊維片２はマイクロ波８の照射によって昇温し、それによって繊維端の近傍でブタンが加熱反応を起こし、炭素と水素に分離した。
【００３１】
原料ガス７としてのブタンは、カッセト式ガスボンベ１１からの供給により行った。ボンベ１１を開放して、常圧により反応容器１内へブタンを供給した。ブタンの流入によって反応容器１内の空気が排出され、ブタンで満たされたことを確認して、マイクロ波８を７００Ｗの強さで連続照射した。
【００３２】
マイクロ波の照射の後、燃料電池ユニット１４側の燃料供給回路を開放したところ、負荷１５であるランプが点灯した。これにより、燃料電池が起動し、水素が製造されていることが確認できた。
【００３３】
なお、本発明の水素製造技術は上記実施の形態に限らず、次のような技術に応用できる。
【００３４】
＜カーボン膜形成装置としての適用可能性＞本実施の形態の水素製造装置１０によって水素を取り出した場合の反応容器１内には、分解生成物質として炭素が残留するが、これを取り出せば、純度の高いカーボン膜として利用できる。
【００３５】
＜自動車の排ガス処理装置への適用例＞本実施の形態の反応容器１に注入する気体状物質として自動車エンジンの排ガスとし、マグネトロン３にてこれに照射することで当該排ガスのＮＯＸ成分をＮ２、Ｏ２に分解することができ、排ガス処理装置として車輌に搭載することもできる。
【００３６】
＜生ゴミから出てくるガスの処理装置への適用例＞生ゴミをバイオで発酵・分解することで発生するバイオガス（メタンと炭酸ガスの混合ガス）を本実施の形態の反応容器１に注入し分解することで、燃料電池用の水素燃料を製造することができる。
【００３７】
生ゴミの発酵・分解によって発生するガスには、メタン（約６０〜７０％）のほか、炭酸ガス（ＣＯ、ＣＯ２が３０〜４０％）、硫化水素、アンモニアガス、水（水蒸気）が混ざっている。当該発生ガスを精製（脱硫、脱ＣＯ２）し、メタン（ＣＨ４）を取り出し、これを本実施の形態の水素製造装置１０を利用して水素と炭素とに分解し、水素を燃料電池用燃料に利用することが可能となる。これにより、生ゴミの焼却の必要がなくなり、ダイオキシンン等の有毒ガスの問題も解決し、地球環境問題の改善に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の１つの実施の形態の水素製造装置の斜視図。
【図２】上記水素の平面図、正面図及び側面図。
【図３】上記実施の形態の水素製造装置を改質器として利用する燃料電池発電装置の斜視図。
【符号の説明】
【００３９】
１  反応容器
１Ａ  導入口
１Ｂ  排気口
２  黒鉛繊維片
３  マグネトロン
４  金属筐体
７  原料ガス
８  マイクロ波
９  水素
１０  水素製造装置
１１  ガスボンベ
１４  燃料電池ユニット
１５  負荷
【図１】
2006188397.tif 000003
【図２】
2006188397.tif 000004
【図３】
2006188397.tif 000005